EP1191895A1 - Dispositif d'asservissement d'une piece a main dentaire a vibration ultrasonore - Google Patents

Dispositif d'asservissement d'une piece a main dentaire a vibration ultrasonore

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EP1191895A1
EP1191895A1 EP00949643A EP00949643A EP1191895A1 EP 1191895 A1 EP1191895 A1 EP 1191895A1 EP 00949643 A EP00949643 A EP 00949643A EP 00949643 A EP00949643 A EP 00949643A EP 1191895 A1 EP1191895 A1 EP 1191895A1
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circuit
voltage
transformer
terminals
handpiece
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Dominique Mariaulle
Xavier Capet
Pascal Cabrignac
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Societe pour la Conception des Applications des Techniques Electroniques SAS
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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61CDENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C1/00Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design
    • A61C1/02Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design characterised by the drive of the dental tools
    • A61C1/07Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design characterised by the drive of the dental tools with vibratory drive, e.g. ultrasonic
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61CDENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C1/00Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design
    • A61C1/0007Control devices or systems
    • A61C1/0015Electrical systems

Definitions

  • the present invention relates to an electronic servo device for a dental handpiece of the type in which the vibration of a tool is obtained by means of a piezoelectric transducer.
  • a piezoelectric transducer generating ultrasonic vibrations is, as far as possible, used at resonance so as to obtain maximum amplitudes and power of the vibrations.
  • a transducer to which a tool is mechanically coupled, comes into contact during a working phase with tissues of different natures, that is to say hard tissues, soft tissues, with or without the presence of a liquid, it sees its resonant circuit evolve during work.
  • the vibration speed of the transducer is a direct function of the electric current flowing in it and that the force required for this vibration is a direct function of the supply voltage across said terminals. transducer. It is understood that if one wishes to operate a handpiece with optimal efficiency, the vibrations of the transducer must correspond to the series resonance of this handpiece and, during work, the operating conditions must vary so as to stay in tune.
  • the frequency will be followed by observing the phase shift which exists between the voltage and the current supplied and by electrically compensating the intrinsic capacity of the transducer.
  • Such an electrical circuit results in series resonance by a low impedance and zero phase shift.
  • the object of the present invention is therefore to propose such a device for controlling the piezoelectric transducer of a vibration generator for a dental handpiece capable of operating permanently at the series resonance frequency, whatever the nature of the tissues. on which the tool equipping this handpiece is brought to intervene.
  • the subject of the present invention is therefore a device for controlling a dental handpiece activated by an ultrasonic generator, comprising supply means of given frequency, characterized in that:
  • the working circuit comprises an inductor in parallel between its output terminals
  • the power supply is able to deliver at output a voltage in phase with a voltage which is delivered to it on its input
  • the control circuit consists of an intensity transformer whose primary is arranged in series in the circuit work and whose secondary forms, with a capacity and a resistance associated with it an RLC circuit whose voltage across the resistance is sent to the input of the above power supply
  • the control circuit includes means making it possible to vary the value of the capacity and / or that of the secondary of the current of the current transformer.
  • the secondary of the current transformer has a movable core inside its winding capable of varying its inductance.
  • the supply means will be connected to the working circuit, in a preferred embodiment, by means of a voltage transformer whose inductances of the primary and secondary will be high.
  • the inductance disposed between the output terminals of the working circuit will be such that with the intrinsic capacity of the handpiece and the internal resistance of the latter, a circuit is formed. RLC close to resonance.
  • FIG. 1 is a schematic view of a frequency monitoring device according to the invention.
  • FIG. 2 is a diagram representing the phase shifts between current and current in a circuit of the type of that represented in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a curve representing the variation of the phase shift between current and voltage in a circuit according to the invention as a function of a multiple of the frequency.
  • FIG. 4 is a curve representing the respective variations as a function of the frequency, of the power supplied to a specific handpiece and of the phase shift between current and corresponding intensity.
  • the frequency tracking oscillator shown in FIG. 1 essentially consists of a power supply 1 capable of generating between its two output terminals A and B a voltage V p which supplies the primary 3 of a voltage transformer T 1 ⁇
  • One of the terminals C of the secondary 4 of this transformer is connected to an output SI of the circuit to which an input E of a handpiece 5 is connected.
  • the other terminal D of this same secondary 4 is connected to the another output S2 of the circuit with the interposition of the primary 7 of a current transformer T 2 .
  • the second input E2 of the handpiece 5 is connected to the terminal S2.
  • An inductor 9 of value L s is arranged in parallel between the input terminals E x and E 2 of the handpiece 5. As shown in FIG.
  • the secondary 11 of the current transformer T 2 is arranged in series with a capacitance 13 of value C 2 and a resistor 15 of value R 2 , the latter representing the parasitic resistances of the RLC circuit thus formed.
  • the terminals G and H of the resistor 15 are joined to the input terminals IJ of the supply 1.
  • the power supply 1 is constituted so that the voltage V p produced on its output terminals A, B or in phase with the voltage V r existing between its input terminals I and J.
  • I ⁇ 1 / m ⁇ (l / C 2 ⁇ -L 2 ⁇ + jR 2 ) I 2
  • R 2 represents the parasitic resistances of the circuit and we will keep C 2 constant.
  • the device will then be calibrated and the oscillator will "catch" on the inductive delay load L s . Furthermore, as shown in FIG. 4, there is a curve representing the variation of the power at the terminals El, E2 of the handpiece 5 as well as the value of the phase shift between current and intensity at the terminals of the latter. .
  • Each type of handpiece 5 provided with a specific tool will thus have a curve of this type.
  • the variation of the inductance L 2 may in particular be obtained by displacement of a core at the center of the inductor 11.

Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'asservissement d'une pièce à main dentaire (5) à ultrasons. Ce dispositif comporte un circuit de travail qui comporte une impédance (Ls) en parallèle entre ses bornes de sortie (S1, S2), et un circuit de pilotage qui est constitué d'un transformateur d'intensité (T2) dont le primaire (7) est disposé en série dans le circuit de travail et dont le secondaire (11) forme, avec une capacité (13) et une résistance (15) qui lui sont associées un circuit RLC dont la tension aux bornes de la résistance (15) est envoyée à l'entrée de la susdite alimentation (1). Le circuit de pilotage comporte des moyens permettant de faire varier la valeur de la capacité (13) et/ou celle de la self du secondaire (11) du transformateur (T2).

Description

DISPOSITIF D'ASSERVISSEMENT D'UNE PIECE A MAIN DENTAIRE A VIBRATION ULTRASONORE
La présente invention concerne un dispositif électronique d'asservissement pour pièce à main dentaire du type dans lequel la vibration d'un outil est obtenue au moyen d'un transducteur piézo-électrique.
On sait qu'un transducteur piézo-électrique générateur de vibrations ultrasonores est, dans la mesure du possible, utilisé à la résonance de façon à obtenir des amplitudes et une puissance des vibrations maximales. Lorsqu'un tel transducteur, auquel est couplé mécaniquement un outil, vient en contact au cours d'une phase de travail avec des tissus de natures différentes, c'est-à-dire des tissus durs, des tissus mous, avec ou non présence d'un liquide, il voit son circuit résonnant évoluer au cours du travail . On sait que dans une telle pièce à main la vitesse de vibration du transducteur est une fonction directe du courant électrique qui circule dans celui-ci et que l'effort nécessaire à cette vibration est une fonction directe de la tension d'alimentation aux bornes dudit transducteur. On comprend que si l'on souhaite faire fonctionner une pièce à main avec un rendement optimal, les vibrations du transducteur doivent correspondre à la résonance série de cette pièce à main et, en cours de travail, les conditions de fonctionnement doivent varier de façon à rester à la résonance .
Suivant 1 ' invention on suivra la fréquence en observant le déphasage qui existe entre la tension et le courant fourni et en compensant électriquement la capacité intrinsèque du transducteur. Un tel circuit électrique se traduit à la résonance série par une impédance faible et un déphasage nul . La présente invention a ainsi pour but de proposer un tel dispositif d'asservissement du transducteur piézoélectrique d'un générateur de vibrations pour pièce à main dentaire apte à fonctionner en permanence à la fréquence de résonance série, et ce quelle que soit la nature des tissus sur laquelle l'outil équipant cette pièce à main est amené à intervenir.
La présente invention a ainsi pour objet un dispositif d'asservissement d'une pièce à main dentaire activée par un générateur à ultrasons, comportant des moyens d'alimentation de fréquence donnée, caractérisé en ce que :
- il comporte deux circuits, à savoir un circuit de travail aux bornes duquel est relié le générateur à ultrasons, et un circuit de pilotage, - le circuit de travail comporte une inductance en parallèle entre ses bornes de sortie,
- l'alimentation est apte à délivrer en sortie une tension en phase avec une tension qui lui est délivrée sur son entrée, - le circuit de pilotage est constitué d'un transformateur d'intensité dont le primaire est disposé en série dans le circuit de travail et dont le secondaire forme, avec une capacité et une résistance qui lui sont associées un circuit RLC dont la tension aux bornes de la résistance est envoyée à l'entrée de la susdite alimentation, le circuit de pilotage comporte des moyens permettant de faire varier la valeur de la capacité et/ou celle de la self du secondaire du transformateur d'intensité.
Préférentiellement le secondaire du transformateur d'intensité comporte un noyau mobile à l'intérieur de son enroulement apte à faire varier son inductance.
Les moyens d'alimentation seront reliés au circuit de travail, dans un mode de mise en oeuvre préférentiel, par l'intermédiaire d'un transformateur de tension dont les inductances du primaire et du secondaire seront élevées .
Dans un mode de mise en oeuvre intéressant de 1 ' invention 1 ' inductance disposée entre les bornes de sortie du circuit de travail sera telle qu'avec la capacité intrinsèque de la pièce à main et la résistance interne de celle-ci on forme un circuit RLC proche de la résonance . On décrira ci-après à titre d'exemple non limitatif une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel :
La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de suivi en fréquence suivant l'invention. La figure 2 est un schéma représentant les déphasages entre courant et intensité dans un circuit du type de celui représenté sur la figure 1.
La figure 3 est une courbe représentant la variation du déphasage entre courant et tension dans un circuit suivant l'invention en fonction d'un multiple de la fréquence .
La figure 4 est une courbe représentant les variations respectives en fonction de la fréquence, de la puissance fournie à une pièce à main spécifique et du déphasage entre courant et intensité correspondant.
L'oscillateur de suivi en fréquence représenté sur la figure 1 est essentiellement constitué d'une alimentation 1 en mesure de générer entre ses deux bornes de sortie A et B une tension Vp qui alimente le primaire 3 d'un transformateur de tension T L'une des bornes C du secondaire 4 de ce transformateur est reliée à une sortie SI du circuit à laquelle vient se connecter une entrée E d'une pièce à main 5. L'autre borne D de ce même secondaire 4 est reliée à l'autre sortie S2 du circuit avec interposition du primaire 7 d'un transformateur de courant T2. La seconde entrée E2 de la pièce à main 5 vient se relier à la borne S2. Une inductance 9 de valeur Ls est disposée en parallèle entre les bornes d'entrée Ex et E2 de la pièce main 5. Ainsi que représenté sur la figure 1 le secondaire 11 du transformateur d'intensité T2 est disposé en série avec une capacité 13 de valeur C2 et une résistance 15 de valeur R2, cette dernière représentant les résistances parasites du circuit RLC ainsi formé. Les bornes G et H de la résistance 15 sont réunies à des bornes d'entrée IJ de l'alimentation 1.
On a ainsi deux circuits à savoir un circuit de travail qui commande la pièce à main 5 et un circuit de pilotage constitué par le circuit RLC. L'alimentation 1 est constituée de façon que la tension Vp produite sur ses bornes de sortie A,B soit en phase avec la tension Vr existant entre ses bornes d'entrées I et J.
Dans ces conditions ainsi que représenté sur le schéma de la figure 2, pour que l'oscillateur constitué par la self 11, la capacité 13 et la résistance 15 entre en oscillation, il est nécessaire que le signal de tension Vr recueilli aux bornes de la résistance R se trouve en phase avec Vs, condition qui se réalisera si φ2 = - φl. En effet φ2 et φl représentent le déphasage entre tension et intensité respectivement dans le circuit oscillant de pilotage RLC et dans le circuit de travail commandant les vibrations de la pièce à main 5.
Si l'on exprime la tension Vr existant entre les bornes d'entrée I et J de l'alimentation 1 en fonction du courant I circulant dans le primaire 7 du transformateur T2 on notera que le courant Iχ est en retard de φl par rapport à la tension Vs (ou à la tension Vp) et que la tension Vr est en phase avec le courant I2. Si l'on tient compte des équations du transformateur on obtiendra, en utilisant la notification mathématique complexe :
V = Z ∑x + jmωl2 avec Zx = jLxω (1)
0 = Z2I2 + jmωl avec Z2 = R2 + j (L2ω - 1/C2ω (2) m représentant le coefficient d'inductance mutuelle de l'un des enroulements du transformateur sur l'autre enroulement .
De façon connue, le transformateur T2 étant un transformateur d'intensité, on peut négliger l'influence de l'enroulement secondaire sur l'enroulement primaire si bien que l'expression jmωl2 = 0 et, de l'équation (1), on tire la valeur de I soit :
En reportant cette valeur dans l'équation (2) on obtient l'expression du courant I-± dans le circuit de travail en fonction du courant I dans le circuit RLC soit :
Iχ = 1/mω (l/C-L+jR2) I2
Dans ces conditions le déphasage du courant I2 par rapport au courant I± sera : tgφ2 = R /ω / (1/C2ω - L2ω) = R2C2ω/l-L2C2ω2 (3) Dans ces conditions, comme mentionné précédemment, il y aura oscillation si φ2 = -φ ou tgφ2 = -tgψx, soit à partir de l'équation (3) : R2C2ω/l-L2C2ω2 = -tgφ! (4)
On a représenté sur la figure 3 la variation de la valeur de tgφι en fonction de la valeur de ω qui représente la fréquence de vibration, à la valeur de 2π près (ω=2πN) On remarquera que, sans pièce à main, la charge de l'oscillateur dans le circuit de travail se réduit à la valeur de 1 ' inductance Ls disposée en parallèle entre les bornes de sortie Si et S2 du circuit . Par ailleurs si on désigne par Rs la résistance interne de l'oscillateur le déphasage du courant Ii par rapport à Vs s'exprime par l'expression :
La condition d'oscillation tgφ2 = -tgφi devient alors : R2C2ω/ (l-L2C2ω2) =-Lsωs/Rs soit ω2 = (LΞ+RSR2C2) / (LSL2C2) (5)
En jouant sur les valeurs de L2 de l'enroulement du secondaire 11 du transformateur T2 et/ou la valeur C2 du condensateur 13 on peut donc ajuster la fréquence de l'oscillateur à vide si bien que l'on modifie la courbe d'accrochage représentée sur la figure 3.
Dans la pratique R2 représente les résistances parasites du circuit et on conservera C2 constant .
Pour chaque appareil d'une série donnée il suffira alors de faire varier la valeur L2 du secondaire 11 du transformateur T2 jusqu'à ce que la tension Tx soit en phase avec le courant Ii circulant dans le circuit .
L'appareil sera alors étalonné et l'oscillateur "s'accrochera" sur la charge inductive de retard Ls . Par ailleurs on dispose, ainsi que représenté sur la figure 4, d'une courbe représentant la variation de la puissance aux bornes El, E2 de la pièce à main 5 ainsi que la valeur du déphasage entre courant et intensité aux bornes de celle-ci. Chaque type de pièce à main 5 pourvue d'un outil déterminé possédera ainsi une courbe de ce type.
On constate, sur l'exemple de la figure 4, que la puissance est maximale et que le déphasage est nul pour une fréquence aux environs de 30kHz. Cette valeur reportée au point X sur le schéma de la figure 3 montre que le réglage du circuit RLC est correct puisque la valeur de tgψi pour cette fréquence est proche de 0.
On sait, bien entendu, qu'au cours du fonctionnement de la pièce à main, la valeur de la fréquence pour laquelle on obtient une vibration maximale à déphasage nul varie en fonction d'une part de la nature physique de la pièce à main mais également en fonction de l'état de surface de la matière à traiter. Pour une pièce à main et un outil donné on obtiendra donc deux fréquences extrêmes Ni et N2 correspondant à un travail de l'outil sur des tissus mous et des éléments plus durs, auxquelles correspondront des valeurs Xx et X2 de ω, ainsi que représenté sur la figure 3.
On a constaté qu ' en général la fréquence N se situait aux environs de 30kHz. Dans ces conditions on fera en sorte de procéder à un réglage à vide de chaque circuit produit (par réglage par exemple de la valeur de L ) de façon qu'en cours de travail les points Xx et X2 se trouvent bien dans des zones pour lesquelles tgx est proche de zéro, ainsi que représenté sur la figure 3.
La variation de 1 ' inductance L2 pourra notamment être obtenue par déplacement d'un noyau au centre de la self 11.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Dispositif d'asservissement d'une pièce à main dentaire (5) activée par un générateur à ultrasons, comportant des moyens d'alimentation (1), caractérisé en ce que :
- il comporte deux circuits, à savoir un circuit de travail aux bornes (SI, S2) duquel est relié le générateur à ultrasons, et un circuit de pilotage, - le circuit de travail comporte une inductance (LS) en parallèle entre ses bornes de sortie (SI, S2) ,
- l'alimentation (1) est apte à délivrer en sortie (A,B) une tension (Vs) en phase avec une tension qui lui est délivrée sur son entrée (I,J), - le circuit de pilotage est constitué d'un transformateur d'intensité (T2) dont le primaire (7) est disposé en série dans le circuit de travail et dont le secondaire (11) forme, avec une capacité (13) et une résistance (15) qui lui sont associées, un circuit RLC dont la tension aux bornes de la résistance (15) est envoyée à l'entrée de la susdite alimentation (1), le circuit de pilotage comporte des moyens permettant de faire varier la valeur de la capacité (13) et/ou celle de la self du secondaire (11) du transformateur (T2) .
2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le secondaire (11) du transformateur d'intensité (T ) comporte un noyau mobile à 1 ' intérieur de son enroulement apte à faire varier son inductance (L2) .
3.- Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (l) sont reliés au circuit de travail par 1 ' intermédiaire d'un transformateur de tension (Tx) .
4.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'inductance (Ls) disposée entre les bornes de sortie (Sι S2) du circuit de travail est telle qu'avec la capacité intrinsèque de la pièce à main (5) et la résistance interne de celle-ci on forme un circuit RLC proche de la résonance.
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